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(11) | EP 2 138 396 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Segelmembran |
| (57) Segelmembran aus einem Gewebe aus synthetischen Fasern, wobei das Gewebe Mikrorauigkeiten
aufweist, die in Form sich kreuzender Riefenscharen mit einer Dichte von 5 bis 25
Riefen/mm auf die Gewebestruktur auf- oder in diese eingebracht sind.
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[0001] Die Erfindung betrifft eine Segelmembran aus einem Gewebe aus synthetischen Fasern, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Segelmembran und daraus gefertigte Segel.
[0002] Bei der Fertigung von Hochleistungssegeln auch für Wettbewerbszwecke steht die Vereinigung einer Reihe von besonderen Eigenschaften im Vordergrund, als da sind niedriges Gewicht, gute Handhabbarkeit, geringe Winddurchlässigkeit, hohe Reißfestigkeit, Elastizität, geringes Wasseraufnahmevermögen, UV-Beständigkeit und dergleichen. Ziel eines jeden Segelherstellers ist die Optimierung dieser Eigenschaften in nur einem Gewebe für die Segelherstellung.
[0003] Bei der Herstellung von Segeln ist bislang noch nicht versucht worden, gezielt aerodynamischen Eigenschaften des Materials verbessernde Strukturen in die Oberfläche einzubringen. Soweit Segelmembrane aus Folien hergestellt werden, haben sie im Wesentlichen eine glatte Oberfläche. Soweit diese Membranen aus Geweben besteht, was bei hochwertigen und großflächigen Segeln häufig der Fall ist, weist das Segel an seiner Oberfläche die dem Gewebe zu eigenen Webstrukturen auf, ggf. kaschiert durch Folien, modifiziert durch Beschichtungen oder verändert durch Verklebung oder Verschmelzung. Diese Gewebestrukturen nehmen Einfluss auf die aerodynamischen Eigenschaften der Segel und ggf. auf die Winddurchlässigkeit und das Wasseraufnahmevermögen, sind jedoch nicht geeignet, auch wegen ihrer recht groben Strukturen, den Luftwiderstand gezielt zu verändern.
[0004] Sowohl an glatten als auch an strukturierten Oberflächen, die im Wind stehen, bilden sich Strömungsabrisse und Mikrowirbel, die einen Widerstand darstellen. Durch das gezielte Einbringen von Mikrorauigkeiten in die Oberfläche kann eine Widerstandsverminderung erzielt werden. Hier sind insbesondere Mikrorauigkeiten zu nennen, die geeignet sind, den Turbulenzgrad in der Turbulenzschicht zur Oberfläche des Segels zu vermindern. Solche Mikrorauigkeiten wurden im Flugzeugbau entwickelt und haben dort in der Regel die Form von parallel verlaufenden Riefen oder Rillen längs zur Anströmrichtung der Luft.
[0005] Bei der Herstellung von Segeln wird unterschieden zwischen Segeln, die am Wind eingesetzt werden und deren Vortrieb über den Druckunterschied zwischen Luv- und Leeseite herbeigeführt wird, und solchen, die vor dem Wind eingesetzt werden und den Vortrieb im Wesentlichen aus dem Winddruck beziehen. Segel, die vor dem Wind eingesetzt werden, sollen luftdicht sein, eine hohe Reißfestigkeit und Weiterreißfestigkeit aufweisen und, insbesondere im Fall eine Spinnakers, aus einem leichten Material gefertigt sein, eine gute Haptik haben und leicht zu setzen sein.
[0006] Ziel der Erfindung ist es, eine Segelmembran mit einer Oberflächenstruktur zu schaffen, die besonders gut für das Segeln mit achterlichem Wind geeignet ist, also für die Fertigung von Spinnakern und Gennakern eingesetzt werden kann.
[0007] Dieses Ziel wird mit einer Segelmembran aus einem Gewebe aus synthetischen Fasern erreicht, bei der das Gewebe Mikrorauigkeiten aufweist, die in Form sich kreuzender Riefenscharen mit einer Dichte von 5 bis 25 Riefen/mm auf die Gewebestruktur auf- oder in diese eingebracht sind.
[0008] Erfindungsgemäß wird unter "Segelmembran" ein jegliches Gewebe aus synthetischen Fasern verstanden, das für die Segelherstellung geeignet ist bzw. eingesetzt wird. Insbesondere sind solche Segelmembranen bestimmt für die Fertigung von Segeln, die (auch) bei achterlichem Wind eingesetzt werden. Die Gewebe können aus einer einheitlichen Faser gefertigt werden, beispielsweise aus Polyamidfasern, Polyolefinfasern und Polyesterfasern, aber auch Mischsysteme enthalten. Die Gewebe können in an und für sich bekannter Weise zur Verminderung oder Beseitigung der Luftdurchlässigkeit beschichtet sein und sind in der Regel hydrophobiert. Zur Verminderung der Luftdurchlässigkeit können die Gewebe auch gewalzt und/oder thermisch behandelt sein, beispielsweise durch Anschmelzen einer niedrig schmelzenden Faser eines Mischgewebes aus verschiedenen Synthesefasern.
[0009] Besonders bevorzugt als Materialien sind Polyamid (Nylon-6.6), Polyester sowie mit Polyethylen (DyneemaR und/oder SpectraR).
[0010] Die Riefendichte innerhalb einer Riefenschar beträgt erfindungsgemäß 5 bis 25 Riefen/mm, was einem Kammabstand der Riefen von 200 µm bis 40 µm entspricht, und vorzugsweise 8 bis 20 Riefen/mm, entsprechend 125 µm bis 50 µm Kammabstand.
[0011] Die Amplitude der Riefen, d. h. Höhe von den Tälern zwischen zwei Kämmen bis zur Kammhöhe beträgt vorzugsweise 25 bis 75 % des Kammabstandes einer Riefenschar und insbesondere 40 bis 60 %.
[0012] Die Riefen einer jeden Schar laufen im Wesentlichen alle parallel zueinander und können im Grunde genommen in jeglicher Ausrichtung über das Gewebe verlaufen. Bevorzugt ist aber ein diagonaler Verlauf in einem Winkel von 45° zu den Kett- oder Schussfäden, +/- 15°. Ein im Wesentlichen diagonaler Verlauf von 45° ist besonders bevorzugt, da dieser Verlauf geeignet ist, die Gewebeunebenheiten am besten zu überspielen.
[0013] Die Mikrorauigkeiten in Form von wenigstens zwei sich parallel erstreckenden Riefenscharen können auf beliebige Art und Weise in die Gewebestruktur eingebracht werden, beispielsweise durch Bedrucken, Einweben, reihenförmiges Aufbringen nanopartikulärer Partikel oder auch durch Einwalzen. Besonders bevorzugt ist das Kalandern mit einer Struktur- oder Rillenwalze, wobei die Walze in der Regel auf eine Temperatur erwärmt ist, die unterhalb der Erweichungstemperatur der Synthesefaser oder der niedrigst erweichenden Synthesefaser liegt, vorzugsweise etwa 10°C unterhalb. Zur Verbesserung des Prägeeffekts kann es sinnvoll sein, das Gewebe vor dem Kalandern mit Heißdampf zu behandeln, beispielsweise mit einer Temperatur von 110°C.
[0014] Das Kalandern findet bei erhöhter Temperatur unter einem Druck von wenigstens 50 N/mm statt, vorzugsweise etwa 100 bis 600 N/mm und insbesondere etwa 200 bis 400 N/mm.
[0015] Vorzugsweise wird die Segelmembran beidseitig mit einer solchen Struktur- oder Rillenwalze kalandert.
[0016] Besonders bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Segelmembran ein Rautenmuster mit sich kreuzenden Riefen, d. h. zwei Riefenscharen, die sich insbesondere in einem Winkel von 80° bis 120° kreuzen. Es ergibt sich auf diese Art und Weise ein Rechteck- bzw. Rautenmuster, das gegenüber dem normalen Gewebemuster aus sich kreuzenden Kett- und Schussfäden um 45° +/- 15° verdreht ist. Es können aber auch drei einander kreuzende Riefenscharen vorgesehen sein, die sich im Winkel von beispielsweise 60° schneiden und sechseckige Eintiefungen umschließen.
[0017] Die erfindungsgemäße Segelmembran kann auf an und für sich bekannte Art und Weise hydrophobiert sein, wobei insbesondere eine Hydrophobierung mit einem Perfluorpolyalkylen in Frage kommt, beispielsweise mit TeflonR. Die Hydrophobierung findet vorzugsweise vor dem Kalandern statt. Wird das Gewebe gefärbt und auf besondere Art und Weise ausgerüstet, so finden der Färbevorgang und die Ausrüstung ebenfalls vor dem Kalandern statt.
[0018] Eine Hydrophobierung kann insbesondere auch bzw. zusätzlich durch Aufbringen hydrophober Teilchen erzielt werden, beispielsweise durch die Aufbringung von Nanopartikeln, die ein hydrophobes Benetzungsregime nach Cassie-Baxter herrichten. Solche nanopartikulären Beschichtungen können unregelmäßiger Natur sein und sollten insbesondere dimensionsmäßig deutlich hinter dem eingeprägten Rillenmuster zurückbleiben. Die Höhe dieser Partikel sollte einen Wert von 5 µm, insbesondere 2 µm nicht überschreiten. Solch ein nanopartikuläre Beschichtung bewirkt, dass sich ansammelnde Wassertropfen nicht die Segelmembran selbst benetzen und dort eindringen, sondern von der Oberfläche abperlen und damit die Wasseraufnahme der Membran vermindern.
[0019] Die Erfindung betrifft insbesondere auch ein Verfahren zur Herstellung einer Segelmembran nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Gewebe als Rohware oder Halbfabrikat nach der Erstellung ggf. gefärbt und/oder ausgerüstet wird, danach bei einem Druck von wenigstens 50 N/mm mit einer Strukturwalze zur Einprägung von sich kreuzenden Riefenscharen mit einer Dichte von 5 bis 25 Riefen/mm von wenigstens einer Seite kalandert wird.
[0020] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stellt das Kalandern in der Regel den letzten Schritt zur Herstellung der fertigen Segelmembran dar. Alle Färbe- und Ausrüstungsschritte finden im Vorfeld statt, ebenso evtl. Beschichtungen zur Hydrophobierung. Das Kalandern findet bei erhöhter Temperatur statt, wobei die Walze auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die unterhalb des Erweichungs- bzw. Schmelzpunktes der am niedrigsten schmelzenden Synthesefaser eingestellt wird. Vorzugsweise liegt die Temperatur etwa 10°C unter dem Schmelz- oder Erweichungspunkt. Zur Verbesserung der Einprägung kann das Gewebe zuvor einer Wasserdampfbehandlung unterzogen werden, z. B. mit Heißdampf von 110°C. Eine Hydrophobierung, wie vorstehend beschrieben, wird ebenfalls vor dem Kalandern vorgenommen. Weitere Veredlungsschritte, so beispielsweise die Aufbringung nanopartikulärer Schichten zur Erhöhung der Hydrophobie, werden nach dem Kalandern vorgenommen.
[0021] Aus der erfindungsgemäßen Segelmembran können auf übliche Art und Weise Segel gefertigt werden. In der Regel wird das Segel aus einzelnen Bahnen oder Gewebestücken zusammengesetzt, wobei in an und für sich bekannter Weise die Hauptkraftlinien und die Reißfestigkeit in den verschiedenen Richtungen berücksichtigt werden.
[0022] Die Erfindung betrifft entsprechend auch ein aus einer erfindungsgemäßen Segelmembran gefertigtes Segel, insbesondere Spinnaker und Gennaker.
[0023] Es wurde gefunden, dass erfindungsgemäß gefertigte Segelmembrane dank der Kreuz-Riffelstruktur, insbesondere beim Segeln mit achterlichem Wind, besondere aerodynamische Eigenschaften aufweisen. Durch das Kalandern wird die Luftdurchlässigkeit des Gewebes deutlich vermindert. Die ohnehin geringere Luftdurchlässigkeit kann durch herkömmliche Beschichtungsmaßnahmen weiter vermindert und auf 0 gesenkt werden, wofür dann deutlich weniger Beschichtungsmaterial benötigt wird. Eine solche Beschichtungsmaßnahme findet sinnvoller Weise nach dem Kalandern statt.
[0024] Derart hergestellte Spinnaker- und Gennakergewebe können somit erfindungsgemäß deutlich leichter hergestellt werden. Dieser Gewichtsvorteil kann, wenn z. B. ein Mindestgewicht gewünscht oder gefordert ist, zur Einarbeitung von Verstärkungsfäden genutzt werden, so dass bei vergleichbarem Gewicht höhere Reiß- und Weiterreißfestigkeiten erzielt werden können.
[0025] Die erfindungsgemäßen Segelmembranen sind insbesondere für die Fertigung von Spinnakern und Gennakern geeignet. Das eingeprägte Muster sich kreuzender Riefenscharen ergibt eine verbesserte Haptik, was das Setzen des Segels erleichtert. Zwar haben Strömungsabrisse und Mikrowirbel beim Vorwindsegeln keinen entscheidenden Einfluss auf den Luftwiderstand, jedoch für die Mikrorauigkeiten und die Strukturierung der Segeloberfläche und die damit verbundenen Wirbelablösungen zu verbesserten aerodynamischen Eigenschaften, einer erhöhten Stabilität des Segeln und erleichtern insbesondere auch das Setzen des Spinnakers.
[0026] Wird die erfindungsgemäße Segelmembran zusätzlich mit einer nanopartikulären Schicht zur Wasserabweisung versehen, kann auf diese Art und Weise das Wasseraufnahmevermögen deutlich herabgesetzt werden. In diesem Fall kann auf eine durchgehende Beschichtung mit einem wasserabweisenden Material - wie auch auf eine Beschichtung zur Verminderung der Winddurchlässigkeit - ganz oder weitgehend verzichtet werden, so dass sich insgesamt eine deutliche Gewichtsverminderung sowohl des trocknen Segels als auch des sich im Einsatz befindlichen Segels ergibt.
[0027] Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1
- ein Segeltuchgewebe nach dem Kalandern in 60-facher Vergrößerung und
- Figur 2
- ein weiteres Segeltuch nach dem Kalandern in 300-facher Vergrößerung und
- Figur 3
- ein drittes Segeltuch nach dem Kalandern in 60-facher Vergrößerung.
[0028] Figur 1 zeigt ein Segeltuch aus einem Polyamidgewebe, bei dem die senkrecht zueinander verlaufenden Kett- und Schussfäden in Leinenbindung deutlich zu erkennen sind. In dieses Gewebe wurden mit einer Kalanderwalze mit X-Riffelung ein X-Muster sich kreuzender Riefen eingeprägt, die diagonal zur Geweberichtung verlaufen. Die einzelnen Riefen verlaufen in einem Abstand von etwa 125 µm zueinander, entsprechend 8 Riefen/mm. Die diagonal von links oben nach rechts unten und links unten nach rechts oben verlaufenden Riefenscharen kreuzen sich in einem Winkel von etwa 90°. Der Prägedruck betrug 300 N/mm, die Walzentemperatur war auf einen Wert von 200°C eingestellt.
[0029] Figur 2 zeigt ein Segeltuch aus einem Polyamidgewebe in Leinenbindng mit 20 Riefen/mm in 300-facher Vergrößerung. Deutlich zu erkennen sind die diagonal zur Faserrichtung verlaufenden Kämme der sich kreuzenden Riefen und die eingeschlossenen rautenförmigen Eintiefungen in die Faseroberfläche, die sich kettenförmig in Faserrichtung fortsetzen. Das Segeltuch wurde mit einem Kreuzriffelkalander bei 200°C und 300 N mm behandelt.
[0030] Figur 3 zeigt ein Segeltuch aus einem Polyestergewebe, bei dem die senkrecht zueinander verlaufenden Kett- und Schussfäden in Leinenbindung deutlich zu erkennen sind. In dieses Gewebe wurde mit einer Kalanderwalze eine Kreuzriffelung eingeprägt, die diagonal zur Geweberichtung verläuft. Die einzelnen Riefen verlaufen in einem Abstand von 50 µm von Riefe zu Riefe, entsprechend einer Riefendichte von 20 Riefen/mm. Die diagonal von links oben nach rechts unten und links unten nach rechts oben verlaufenden Riefenscharen kreuzen sich in einem Winkel von etwa 95°. Der Prägedruck war 400 N/mm bei einer Walzentemperatur von 200°C.
[0031] Untersuchungen an einem Polyamid-Rohgewebe, das mit einer Riffelwalze mit 8 Linien/mm bei einer Temperatur von 200°C bearbeitet wurde ergab, nach dem Kalandern, eine deutliche Verminderung der Luftdurchlässigkeit bei 20 mm/WS von 600 bis 800 I/dm2/min auf 30 bis 40 I/dm2/min für die Rohware. Für die gefärbte Rohware ist eine weitere Verminderung zu erwarten. Im Falle des beschichteten Segeltuchs sinkt die Luftdurchlässigkeit auf 0, wobei für die kalanderte Ware die Beschichtung wesentlich geringer ausfällt. Eine geringere Beschichtung führt zu einer Gewichtsverminderung bei dem fertigen Segel mit der Möglichkeit, die Gewichtsersparnis für Verstärkungsmaßnahmen (Verstärkungsfäden) zu nutzen.
[0032] Zur Erzielung optimaler Werte ist grundsätzlich eine beidseitige Behandlung mit dem Riffelkalander erforderlich.
[0033] Reihenuntersuchungen an einem Polyamid-Rohgewebe, das mit einer Kreuzriffelwalze mit 20 Linien/mm bei einer Temperatur von 200°C bearbeitet wurde ergaben eine deutliche Abhängigkeit der Luftdurchlässigkeit von Druck, mit einem Optimum bei 200 bis 400 N/mm:
| Druck N/mm | Luftdurchl. I/dm2/min |
| 100 | 100 |
| 150 | 70 |
| 200 | 40 |
| 300 | 30 |
| 400 | 30 |
[0034] Das Rohgewebe war beidseitig kalandert. Bei gefärbter Ware lagen die Durchlässigkeiten (bei 300 bis 400 N/mm) bei 10 bis 20 I/dm2.
[0035] Zur Untersuchung des Luftwiderstands wurden Segelmembranproben im Windkanal mit einem MAV-Waagenprüfkörper (6-Komponenten-DMS-MAV-Waagen) bei einer Windgeschwindigkeit von 18 m/s geprüft. Bei dem MAV-Waagenprüfkörper handelte es sich um einen Trapezflügel kleiner Streckung mit symmetrischem Profil. Die Vorderkantenpfeilung betrug 36°, die Hinterkante war gerade. Die Flügelfläche wurde mit den Tuchmustern bespannt. Dabei wurde die Oberseite vollkommen bedeckt, die Unterseite nur zu ca. ¼.
[0036] Die Messungen ergaben für eine nicht-geriffelte Segelmembran einen Luftwiderstandsbeiwert von CWa von gemittelt 7,08 x 10-3, mit einer Kreuzriffelung von 10 Riefen/mm von 6,54 x 10-3 und mit 20 Riefen/mm von 6,4 x 10-3. Bei den Werten handelt es sich um gemittelte Werte aus 500 Messungen an acht Messpunkten.
1. Segelmembran aus einem Gewebe aus synthetischen Fasern,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe Mikrorauigkeiten aufweist, die in Form sich kreuzender Riefenscharen mit einer Dichte von 5 bis 25 Riefen/mm auf die Gewebestruktur auf- oder in diese eingebracht sind.
dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe Mikrorauigkeiten aufweist, die in Form sich kreuzender Riefenscharen mit einer Dichte von 5 bis 25 Riefen/mm auf die Gewebestruktur auf- oder in diese eingebracht sind.
2. Segelmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefen eine Höhe aufweisen, die, gemessen von Talsohle zu Kammhöhe, 25 bis 75
% des Riefenabstandes von Kamm zu Kamm, vorzugsweise 40 bis 60 % des Riefenabstandes
ausmacht.
3. Segelmembran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 8 bis 20 Riefen/mm aufweist.
4. Segelmembran nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefen einen Winkel von 30 bis 60°, vorzugsweise von etwa 45° zum Verlauf der
Kettfäden haben.
5. Segelmembran nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefen durch Kalandern erhältlich sind.
6. Segelmembran nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefen durch beidseitiges Kalandern erhältlich sind.
7. Segelmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sich kreuzenden Riefenscharen einen Kreuzungswinkel von 80° bis 120° aufweisen.
8. Segelmembran nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Hydrophobierung, vorzugsweise durch ein Perfluorpolyalkylen und/oder eine nanopartikuläre Beschichtung.
9. Verfahren zur Herstellung einer Segelmembran nach einem der vorstehenden Ansprüche
mit den Schritten
- Erstellen eines Rohgewebes aus synthetischen Fasern,
- ggf. Färben und/oder Ausrüsten des Rohgewebes,
- Kalandern des Rohgewebes bei einem Druck von wenigstens 50 N/mm, vorzugsweise von 100 bis 600 N/mm, mit einer Strukturwalze zur Einprägung von sich kreuzenden Riefenscharen in die Gewebeoberfläche von wenigstens einer Seite.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe von beiden Seiten kalandert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe vor dem Kalandern einer Wasserdampfbehandlung bei bis zu 110°C unterzogen
wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe vor dem Kalandern hydrophobiert wird.
13. Aus der Segelmembran eines der Ansprüche 1 bis 10 gefertigtes Segel, insbesondere
Spinnaker und Gennaker.